文／緱思佳 中煤邯鄲設(shè)計工程有限責(zé)任公司 河北邯鄲 056000

引言：

在當(dāng)前全球追求可持續(xù)發(fā)展的背景下，建筑行業(yè)作為能源消耗巨大的領(lǐng)域之一，其對氣候變化、資源耗竭以及環(huán)境質(zhì)量的影響不可忽視?！吨袊ㄖ芎难芯繄蟾妫?022）》指出，2020 年我國建筑業(yè)能耗總量為22.7億tce，占全國各行業(yè)總能耗的45.5%，建筑業(yè)碳排放量為50.8 億tCO2，占全國碳排放總量的50.9%[1]。因此，迫切需要采取有效措施提高建筑能效、減少能源浪費(fèi)。被動式超低能耗建筑作為一種具有顯著節(jié)能效果的建筑形式，得到了越來越多的關(guān)注。近年來，國家通過采取一系列措施，大力推進(jìn)被動式超低能耗建筑建設(shè)。截至2020年8 月，我國各級政府共頒布115 項(xiàng)低能耗建筑鼓勵政策，包括國家層面的13 項(xiàng)，以及21 個省、直轄市、自治區(qū)和16 個城市發(fā)布的102 項(xiàng)實(shí)施細(xì)則[2]。這些法規(guī)和政策都將被動式超低能耗建筑作為重要發(fā)展方向。

被動式超低能耗建筑設(shè)計注重充分利用自然通風(fēng)、自然采光、太陽能輻射以及室內(nèi)非供暖熱源，最大程度地減少對外部能源的依賴，從而顯著減少建筑運(yùn)行階段乃至整個生命周期內(nèi)的能源消耗。通過降低碳排放，為碳達(dá)峰、碳中和等全球氣候目標(biāo)提供實(shí)質(zhì)性的支持。因此，本文將深入研究被動式超低能耗建筑設(shè)計理論，并提出一系列在實(shí)際項(xiàng)目中可行的設(shè)計策略，為推動建筑行業(yè)向更可持續(xù)的方向發(fā)展提供有力論據(jù)。

1.被動式超低能耗建筑設(shè)計理論

1.1 被動式超低能耗建筑的概念及起源

被動式超低能耗建筑，又稱“被動房”或“近零能耗建筑”，是指充分利用氣候特征、自然條件及可再生能源，采用高保溫隔熱性能和建筑氣密性的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，以最少的能源消耗提供舒適室內(nèi)環(huán)境，且其室內(nèi)環(huán)境參數(shù)和能耗指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的建筑[3]。其標(biāo)準(zhǔn)為室內(nèi)恒溫（20-26℃、恒濕（40-60%）、恒氧（CO2≤1000ppm）、低噪（夜間≤30dB）、健康（PM2.5 ≤35μg/m3）?！氨粍臃俊币詷O高的節(jié)能效率著稱，能源消耗僅為普通住宅的1/10 左右，整體節(jié)能率達(dá)90%以上。這類建筑具有節(jié)能環(huán)保，舒適宜居的優(yōu)點(diǎn)，是引領(lǐng)綠色建筑的標(biāo)桿，代表建筑的未來發(fā)展方向。

被動式建筑的概念最早由德國建筑師Wolfgang Feist 在20 世紀(jì)80 年代提出，并發(fā)展為“passivhaus”（被動房）理念。這一理念強(qiáng)調(diào)通過優(yōu)化絕緣、減小熱橋效應(yīng)等手段，實(shí)現(xiàn)建筑在極端溫度條件下的極低能耗。1991 年，F(xiàn)eist 建造了世界第一座“被動房”，其獨(dú)特的設(shè)計理念和先進(jìn)技術(shù)成為全球被動房設(shè)計的重要參考。被動式超低能耗建筑的理念不僅局限于住宅，還可廣泛應(yīng)用于醫(yī)院、辦公樓、商場和工廠等多種公共建筑類型。

1.2 被動式超低能耗建筑設(shè)計原則

被動式超低能耗建筑的設(shè)計原則集中體現(xiàn)在被動式原則和超低能耗原則兩個方面。這兩個原則共同構(gòu)成了被動式超低能耗建筑設(shè)計的核心，旨在通過整合被動手段和高效能源技術(shù)，實(shí)現(xiàn)建筑的舒適性、高效能源使用和環(huán)保目標(biāo)。

被動式原則是利用建筑自身的特性，通過合理的建筑布局和形態(tài)設(shè)計，最大限度地利用自然資源，降低對非可再生能源的依賴，實(shí)現(xiàn)建筑的舒適性和能源效率。其關(guān)鍵特征包括智能形態(tài)設(shè)計（包括建筑方位、朝向、形狀、體量、窗戶位置及窗墻比），以優(yōu)化太陽能的利用；采用高效的絕緣和保溫隔熱措施及材料，減少建筑的熱量獲取和散失；合理設(shè)計的自然通風(fēng)與采光系統(tǒng)，以最大程度地利用環(huán)境中的可再生資源；通過合理的室內(nèi)布局和裝飾，提高室內(nèi)環(huán)境的舒適度。因此，在被動式建筑中，門窗、保溫、新風(fēng)和光伏等因素被統(tǒng)稱為“被動房四要素”。

超低能耗設(shè)計原則旨在滿足建筑功能要求的同時，通過優(yōu)化建筑設(shè)計和采用高效能源技術(shù)，將建筑的能耗水平遠(yuǎn)低于常規(guī)建筑。這一設(shè)計原則包括最小化能源需求、提高能源效率、利用可再生能源和優(yōu)化能源管理。通過合理的建筑設(shè)計和高效的能源系統(tǒng)，盡可能減少建筑的能源需求；通過采用高效的能源設(shè)備和技術(shù)，提高能源的使用效率；通過安裝可再生能源設(shè)備，如太陽能光伏板和風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，實(shí)現(xiàn)可再生能源的利用；通過智能化的能源管理系統(tǒng)，實(shí)時監(jiān)控和調(diào)整建筑的能源使用，以達(dá)到能源的最優(yōu)化配置。

2.被動式超低能耗建筑設(shè)計策略

建筑設(shè)計是一個有機(jī)整體，將外在因素（如環(huán)境和形態(tài)）與內(nèi)在核心（包括空間、功能、技術(shù)和材料）相融合。它綜合呈現(xiàn)了功能與空間、材料與建造、環(huán)境與場所之間的關(guān)系，同時涵蓋了建筑內(nèi)外系統(tǒng)、環(huán)境、場地和空間等多種要素。據(jù)此，本章結(jié)合被動式超低能耗建筑的環(huán)保與高效能源利用的設(shè)計理念，提出了以下四個方面的設(shè)計策略。

2.1 建筑選址與布局設(shè)計

建筑選址是建筑設(shè)計的第一步，也是決定建筑能源消耗的關(guān)鍵因素。在被動式超低能耗公共建筑設(shè)計中，選址的決策應(yīng)該綜合考慮多個因素（氣候、區(qū)域、場地），以最大程度地提高能源利用效率。首先，應(yīng)考慮到建筑的日照時間和方向，選擇有利于自然通風(fēng)和采光的地點(diǎn)。例如，在選址時可以選擇位于城市規(guī)劃中的開闊區(qū)域，避免高樓密布的區(qū)域，確保建筑在白天能夠充分接受自然光照。地形也是重要考慮因素，可以選擇具有地形高差的地方，通過建筑形態(tài)設(shè)計引導(dǎo)空氣流動，提高通風(fēng)效果。例如，選址于山坡地形，通過建筑的布局使得冷空氣下沉，熱空氣上升，形成自然通風(fēng)的氣流。同時，周圍環(huán)境的質(zhì)量也應(yīng)納入考慮。選址靠近公園或綠化帶，可以充分利用植被的遮蔭效應(yīng)，減緩環(huán)境溫度上升的速度。以城市中的建筑選址為例，選擇靠近大型綠地的區(qū)域，不僅能享受綠化帶帶來的清新空氣，還能降低城市熱島效應(yīng)。

建筑布局的科學(xué)合理是實(shí)現(xiàn)能源效益的重要步驟。合理的布局設(shè)計應(yīng)考慮建筑的不同功能區(qū)域之間的相互關(guān)系。例如，將辦公區(qū)域布置在需要光照的南向或西向，以最大程度地利用陽光，并提高工作環(huán)境的舒適性。而輔助功能區(qū)域，如儲藏室或設(shè)備區(qū)，可以布置在北向或東向，減少對主要活動區(qū)域的熱量影響，降低能耗。在布局設(shè)計中還應(yīng)注重建筑的垂直布局。多層和高層建筑不僅有助于節(jié)省用地空間，而且有利于降低體形系數(shù)。建筑體形系數(shù)是衡量建筑物節(jié)能效果的重要指標(biāo)之一。它是指建筑物外表面積與體積的比值。體形系數(shù)越小，建筑的外表面積相對較小，減少了散熱面積，從而導(dǎo)致建筑能耗就越低。因此，從降低建筑能耗的角度出發(fā)，應(yīng)盡量將體形系數(shù)控制在一個較小的數(shù)值。根據(jù)計算結(jié)果，多層和高層建筑的體形系數(shù)較?。ㄒ话阈∮?.25），對節(jié)能較為有利[4]。在商業(yè)綜合體的設(shè)計中，可以將商業(yè)區(qū)域設(shè)于底層，辦公區(qū)域布置在中層，住宅區(qū)域位于上層，從而實(shí)現(xiàn)多功能區(qū)域的合理垂直分布。此外，要注意建筑的體塊集散程度，適度的體塊集中可以形成緊湊的建筑整體，減少外部墻面，降低體形系數(shù)，但是對環(huán)境資源的利用較弱。而體塊分散對自然資源利用更充分，但可能導(dǎo)致傳熱問題和功能使用方面的挑戰(zhàn)。因此，合理權(quán)衡體塊集散程度與朝向，也是建筑布局中的關(guān)鍵因素。

2.2 建筑形態(tài)與空間設(shè)計

在被動式超低能耗公共建筑設(shè)計中，應(yīng)采用簡潔的建筑形態(tài)，以減少能源消耗。首先，應(yīng)通過優(yōu)化建筑的形狀和體量，控制建筑的熱量獲取和散失。平面面積相等、高相等的情況下，體形系數(shù)以圓柱形最小，正方形次之，長方形最大。因此，設(shè)計時可以考慮采用圓形、橢圓形、正方形或者長方形等外形簡潔、體積大的建筑形式，以減少外墻面積和熱橋效應(yīng)。同時，也可以采用高低錯落的建筑體量，以利用高墻的蓄熱效應(yīng)和低墻的散熱效應(yīng)。當(dāng)建筑選址確定以后，通過合理設(shè)置窗戶和通風(fēng)口，引導(dǎo)自然氣流，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)通風(fēng)與采光。通過考慮風(fēng)向和氣流路徑，優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)，減少對空調(diào)系統(tǒng)的需求。在窗戶的設(shè)計中，控制不利朝向的開窗戶比例，注意窗戶的合理尺寸和位置，適當(dāng)?shù)拇皦Ρ瓤梢蕴岣呓ㄖ牟晒饴剩^大的窗墻比會增加熱量的獲取。通過科學(xué)的建筑形態(tài)設(shè)計，旨在最大程度地利用太陽能，實(shí)現(xiàn)日照最優(yōu)化。

其次，應(yīng)通過靈活的空間布局，提高室內(nèi)環(huán)境的舒適度。合理設(shè)置隔斷和功能分區(qū)，使得常用的空間位于靠近自然光和通風(fēng)的地方，減少對人工照明和空調(diào)的依賴。例如，可以將辦公區(qū)、公共空間等常使用的區(qū)域布置在靠近窗戶的位置，以利用自然光和自然通風(fēng)。通過這種合理設(shè)置功能區(qū)域，可以實(shí)現(xiàn)不同用途空間的有機(jī)連接，提高使用效率。此外，也可以設(shè)計內(nèi)院、天井等開放空間，不僅有助于改善室內(nèi)的視覺感受，還提供了額外的自然通風(fēng)和采光機(jī)會。以住宅為例，引入一個中央庭院，不僅可以讓每個房間都能享受到充足的自然光，同時也創(chuàng)造了一個寧靜、綠意盎然的休閑空間?？臻g布局優(yōu)化是空間設(shè)計中的重要一環(huán)。對于既有建筑，可以通過重新規(guī)劃空間布局，調(diào)整功能區(qū)域的位置，提高空間的適應(yīng)性和可操作性。

2.3 建筑結(jié)構(gòu)與保溫設(shè)計

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，被動式超低能耗建筑采用高效保溫的圍護(hù)結(jié)構(gòu)和高性能的門窗，以提高建筑物的保溫隔熱性能和氣密性。首先，應(yīng)選擇具有良好保溫性能和絕緣性能的建筑材料，如加氣混凝土、巖棉、聚苯乙烯等，有效隔離室內(nèi)外溫度差異，減少能源傳遞損失。這些隔熱材料可以鋪設(shè)在屋頂、墻壁、樓板和地基，使室內(nèi)溫度保持恒定。其次，窗戶是室內(nèi)外能量交換的關(guān)鍵點(diǎn)，窗戶的設(shè)計應(yīng)兼顧通風(fēng)、采光和隔熱效果。選擇高性能的窗戶，如雙層或三層中空玻璃，玻璃間的空隙用惰性氣體填充，能夠有效隔離溫度傳導(dǎo)，提高保溫隔熱效果。采用Low-e（低輻射）中空玻璃窗，Low-E 玻璃對可見光的透射率較高，對紅外線有很高的反射率，因而具有良好的隔熱性能和節(jié)能效果。建筑氣密性的提高也是關(guān)鍵，通過增加建筑物的密封性，可以減少冷熱空氣的交換，從而降低空調(diào)和供暖設(shè)備的使用。在門窗的安裝過程中，通過使用高分子材料防水透氣膜來封閉門窗與墻體連接處的內(nèi)外兩側(cè)，隔離水分子而允許氣體分子通過，實(shí)現(xiàn)防水透氣效果。

在保溫設(shè)計方面，可以采用斷橋式的門窗設(shè)計和熱橋隔離技術(shù)，將建筑熱橋與建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計統(tǒng)一起來，對容易產(chǎn)生熱橋的節(jié)點(diǎn)針對性的加強(qiáng)設(shè)計，可以防止熱量通過熱橋散失。例如，可以在建筑物的梁、柱等部位設(shè)置斷熱材料，防止熱量的傳遞。同時，也可以采用空心墻體或填充空氣層的墻體設(shè)計，增加保溫層厚度，以減少墻體的熱量傳導(dǎo)。這種設(shè)計策略特別適用于北方寒冷地區(qū)，能夠有效應(yīng)對極端氣溫。此外，屋頂綠化也可以有效地保溫，在炎熱的夏季阻止太陽熱輻射，降低室內(nèi)溫度。在冬季通過綠化植物和種植基質(zhì)形成的保溫層，有效減緩屋頂熱量的散失。此外，綠色屋頂和立體綠化還具有吸收雨水、減輕城市熱島效應(yīng)、改善空氣質(zhì)量等多重環(huán)境效益。

2.4 建筑設(shè)備與系統(tǒng)設(shè)計

被動式超低能耗建筑設(shè)計追求不僅在結(jié)構(gòu)上節(jié)能，更在設(shè)備和系統(tǒng)層面實(shí)現(xiàn)智能、高效的能源利用。

2.4.1 新風(fēng)系統(tǒng)

新風(fēng)系統(tǒng)核心在于通過預(yù)熱、預(yù)冷處理進(jìn)入建筑的新鮮空氣，以保持室內(nèi)溫度的穩(wěn)定。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高效空氣處理，為室內(nèi)提供更為健康和舒適的空氣品質(zhì)。不僅如此，新風(fēng)系統(tǒng)的能耗僅為傳統(tǒng)空調(diào)的六分之一，而功能卻是其五倍，在整個建筑的節(jié)能方案中起到了至關(guān)重要的作用。

新風(fēng)系統(tǒng)的工作原理涉及風(fēng)道設(shè)計、換氣頻率控制等多個方面。通過科學(xué)的風(fēng)道設(shè)計，可以優(yōu)化新風(fēng)的輸送路徑，最大程度地降低能量損失。同時，采用可調(diào)控的換氣頻率，使系統(tǒng)能夠根據(jù)室內(nèi)外環(huán)境變化進(jìn)行智能調(diào)整，進(jìn)一步提高能效。在系統(tǒng)的實(shí)施中，選擇高效過濾器，能夠有效去除空氣中的顆粒物，提高空氣質(zhì)量。

2.4.2 太陽能供電

太陽能供電系統(tǒng)的核心組成部分包括光伏電池板、逆變器和儲能設(shè)備。光伏電池板通過將光能轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)對建筑電力需求的自給自足。逆變器負(fù)責(zé)將直流電轉(zhuǎn)化為交流電，以滿足建筑內(nèi)部設(shè)備的需求。儲能設(shè)備則用于存儲白天充電得到的多余電量，以確保在夜間或陰天仍能夠繼續(xù)供電。

除了直接供電外，太陽能供電系統(tǒng)還有助于減少對傳統(tǒng)電網(wǎng)的依賴，從而減少電費(fèi)支出。其環(huán)保特性也符合現(xiàn)代建筑綠色發(fā)展的理念，是被動式超低能耗建筑不可或缺的一部分。

2.4.3 地源熱泵

地源熱泵技術(shù)是一種可再生能源利用技術(shù)，通過利用地下的地?zé)崮芰窟M(jìn)行空調(diào)、供熱和熱水等能源利用。這項(xiàng)技術(shù)的運(yùn)行費(fèi)用僅為普通中央空調(diào)的40%～60%，能效高出40%以上。地源熱泵系統(tǒng)不僅在能源效益上具有顯著優(yōu)勢，而且對環(huán)境的影響相對較小。

地源熱泵系統(tǒng)的核心原理是通過在地下埋設(shè)換熱器，利用地下相對穩(wěn)定的溫度進(jìn)行換熱。在制冷和供熱時，該系統(tǒng)能夠更高效地提供舒適的室內(nèi)環(huán)境。由于地下溫度相對較為穩(wěn)定，地源熱泵系統(tǒng)在運(yùn)行過程中無熱污染和二氧化碳排放，對環(huán)境影響較小[5]。系統(tǒng)的實(shí)施中，需要對地?zé)豳Y源進(jìn)行深入勘測，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行地下管道的布置。合理的地?zé)峋疃群筒季质谴_保系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要因素。此外，通過與建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計統(tǒng)一，可以進(jìn)一步防止熱量通過熱橋散失，提高能源利用效率。

2.4.4 智能建筑管理系統(tǒng)

智能建筑管理系統(tǒng)通過實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)測和調(diào)整建筑內(nèi)外環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對能源使用的精細(xì)化控制。這一系統(tǒng)不僅關(guān)注單一設(shè)備的運(yùn)行，更注重各個設(shè)備之間的協(xié)同工作，以最大程度地降低不必要的能源浪費(fèi)。

系統(tǒng)的核心功能包括能源監(jiān)測、設(shè)備調(diào)控、故障診斷等。通過建立傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時監(jiān)測建筑內(nèi)外的溫度、濕度、光照等參數(shù)，系統(tǒng)能夠根據(jù)這些數(shù)據(jù)智能調(diào)整采光、溫度和濕度等參數(shù)。系統(tǒng)還能夠?qū)υO(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)和處理異常，提高設(shè)備的使用壽命。

在系統(tǒng)的實(shí)施中，需要與其他設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行有效的整合，確保各個部分的協(xié)同工作。為實(shí)現(xiàn)智能化控制，系統(tǒng)應(yīng)支持遠(yuǎn)程監(jiān)控和調(diào)整，使運(yùn)維人員可以通過云平臺實(shí)時管理建筑設(shè)備，從而及時響應(yīng)不同需求和環(huán)境變化。此外，系統(tǒng)還可以通過學(xué)習(xí)算法逐漸優(yōu)化控制策略，提高系統(tǒng)的自適應(yīng)性和效率。

2.4.5 節(jié)能照明系統(tǒng)

節(jié)能照明系統(tǒng)通過選擇LED 等高效照明設(shè)備，結(jié)合智能光控系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)智能調(diào)整照明亮度，以適應(yīng)室內(nèi)光照需求。

選擇LED 照明設(shè)備是出于其高能效、長壽命、低耗電等特點(diǎn)。LED 照明相較于傳統(tǒng)的白熾燈和熒光燈，能夠顯著減少能源消耗，同時降低光污染。為了進(jìn)一步提高能效，系統(tǒng)還應(yīng)根據(jù)不同區(qū)域和時間的光照需求，智能調(diào)整照明亮度，避免過度照明造成的不必要能耗。智能感應(yīng)器也可以用于控制照明系統(tǒng)的開關(guān)，確保只有在需要的時候才使用照明設(shè)備，進(jìn)一步提高節(jié)能效果。

2.4.6 高效水管理系統(tǒng)

通過采用低流量水龍頭、節(jié)水沖洗設(shè)備等，系統(tǒng)可以顯著減少水資源的浪費(fèi)。選擇低流量水龍頭能夠有效降低用水量，尤其是在洗手間和廚房等頻繁使用水的場所。配合智能水管理系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對用水系統(tǒng)的智能監(jiān)測和控制。通過采集雨水、處理廢水等手段，實(shí)現(xiàn)水資源的再利用。系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵在于減少漏水現(xiàn)象，采用高質(zhì)量管道和閥門，定期檢查和維護(hù)設(shè)備。實(shí)施高效水管理系統(tǒng)顯著降低建筑用水成本，對水資源環(huán)境產(chǎn)生積極影響，為被動式超低能耗建筑增添綠色元素。

在被動式超低能耗建筑設(shè)計中，以上所述的設(shè)備和系統(tǒng)并非獨(dú)立存在，而是相互關(guān)聯(lián)、相互支持的整體。通過合理的整合和協(xié)同運(yùn)作，這些設(shè)備和系統(tǒng)能夠共同為建筑提供更為智能、高效的能源解決方案，從而實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。

3.結(jié)論與展望

被動式超低能耗建筑設(shè)計理論為解決城市發(fā)展中的能源與環(huán)境問題提供了可行性方案。通過合理運(yùn)用多種設(shè)計策略，可顯著減少建筑的能源消耗，有效降低碳排放量。在未來，我們還需關(guān)注新材料、新技術(shù)的發(fā)展，不斷探索更創(chuàng)新、更環(huán)保的被動式建筑設(shè)計方案。可以從以下幾個方面進(jìn)行進(jìn)一步的研究和探索：

（1）研究更多的不同地區(qū)不同氣候條件下被動式超低能耗建筑設(shè)計理論和方法，以適應(yīng)不同地區(qū)、不同功能的需求。

（2）通過與BIM 技術(shù)的融合，充分利用先進(jìn)的建筑模擬軟件，實(shí)現(xiàn)對設(shè)計方案的更精確性能預(yù)測和優(yōu)化。

（3）加強(qiáng)與其他相關(guān)領(lǐng)域的交叉研究，如綠色建筑材料、智能建筑系統(tǒng)等，以進(jìn)一步提高被動式超低能耗公共建筑的性能。